Ett billigt och enkelt alternativ till dyra platinabaserade katalysatorer som genererar väte från vatten kan snart vara tillgängligt, tack vare A*STAR-forskare.

Ett team från A*STARs Institute of Materials Research and Engineering har utvecklat en enstegsmetod för att syntetisera koboltfosfider som uppvisar god elektrokemisk aktivitet i väteutvecklingsreaktionen (HER). "Till skillnad från de dyra och knappa platinabaserade katalysatorerna, dessa fosforfunktionaliserade koboltkatalysatorer är särskilt lovande på grund av deras långsiktiga stabilitet och lämplighet för storskalig industriell implementering, " förklarar Yun Zong, som ledde laget med Zhaolin Liu.

Väte är en energität, ren och förnybar bränslekälla som spelar en nyckelroll i många industriella processer, såsom produktion av ammoniak samt bearbetning och raffinering av fossila bränslen. Än, den produceras huvudsakligen genom ångreformering av naturgas, ett högtemperaturuttag ur kolväten som släpper ut koldioxid i stora mängder.

Vattenelektrolys och ljusdriven vattenklyvning, som isolerar väte från vatten, har dykt upp som attraktiva miljövänliga alternativ till denna process. Dessa elektrokemiska tillvägagångssätt beror på den långsamma bildningen av syre vid anoden samtidigt med väteutvecklingsreaktionen vid katoden. Dock, medan väteutveckling har visat sig lättare under sura förhållanden, elektrokatalysatorer utvecklade för att påskynda den anodiska reaktionen har visat högre aktivitet i alkaliska medier. Som svar på detta, teamet har tagit fram nanostrukturerade koboltfosfider som kan underlätta väteutvecklingsreaktionen oavsett pH i det vattenhaltiga mediet.

Forskarna har skapat en enkel och skalbar syntes som ger katalysatorer i ett steg. I denna enstegssyntes, en fosforhaltig förening reagerar direkt med kommersiellt tillgängliga koboltsalter vid upphettning till 330 grader Celsius. Denna ovanliga gasfasta "fosfidering" producerar en blandning av kobolthaltiga föreningar, inklusive mono- och bimetallfosfider, oxider, och spårmetall med en liten mängd gasformigt fosfin.

"Var och en av dessa koboltarter förväntas gynna den övergripande HER-aktiviteten, säger Zong, noterar att de flesta gas-fasta fosfideringsreaktioner endast ger det monometalliska derivatet i låga utbyten. Han tillägger att konventionella synteser kräver flera steg som involverar produktion av en koboltprekursor och den efterföljande fosfidbildningen.

Förutom att integrera sina koboltbaserade katalysatorer i ett vattenklyvningssystem, teamet arbetar för närvarande med att screena andra övergångsmetallsalter och optimera de syntetiska procedurerna. "Dessa protokoll kan utvidgas till enstegsfosfidering av andra övergångsmetallsalter, säger Zong, och tillägger att insikten om direkt fosfidering av koboltsalter ger värdefull input för den framtida storskaliga syntesen av övergångsmetallfosfider.